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Ridefinire i calcoli quantistici usando i computer classici ovvero l’affidabilità di un computer classico con la forza di un sistema quantistico.


 
I ricercatori hanno scoperto un metodo di calcolo per accoppiare l’affidabilità di un computer classico con la forza di un sistema quantistico.
 
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“L’applicazione più importante dell’informatica quantistica in futuro sarà probabilmente una simulazione al computer di sistemi quantistici perché è un’applicazione in cui sappiamo per certo che i sistemi quantistici, in generale, non possono essere simulati in modo efficiente su un computer classico” – il fisico britannico David Tedesco. 

Seguendo la dichiarazione di David, l’Institute for Quantum Computing (IQC), in collaborazione con l’Università di Innsbruck, ha proposto di risolvere complessi problemi di calcolo utilizzando algoritmi basati sulla misurazione all’interno di un ciclo di feedback con un normale computer.

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Questo nuovo metodo di calcolo funge da strumento chiave per portare gli accademici in prima linea negli sviluppi dell’informatica quantistica , consentendo a nuovi algoritmi ed esperimenti di avvicinare i ricercatori alle applicazioni commerciali e alle scoperte della tecnologia.

Christine Muschik, ricercatore principale presso l’Institute for Quantum Computing (IQC), ritiene che i computer quantistici del futuro possano essere utilizzati in applicazioni come la rimozione dell’anidride carbonica dall’atmosfera, lo sviluppo di arti artificiali e la progettazione di prodotti farmaceutici più efficienti.

 Non c’è bisogno di un computer basato su porta quantistica 

Lo studio del team di Muschik si concentra sui calcoli quantistici che non richiedono computer basati su porte quantistiche. Il team ha progettato un algoritmo per eseguire un calcolo quanto-classico ibrido combinando una sequenza di misurazioni su uno stato quantistico entangled con un calcolo quanto-classico.

Idealmente, i protocolli VQE esistenti basati su modelli di circuito utilizzano porte applicate su uno stato iniziale. Per ottenere uno stato di uscita, il più vicino possibile allo stato target, è necessario ottimizzare i parametri variazionali. Il nuovo approccio ai protocolli VQE si basa su un modello di calcolo quantistico basato sulla misurazione (MBQC) . 

MBQC può preparare uno stato entangled e quindi eseguire misurazioni a qubit singolo per realizzare il calcolo. Il calcolo quantistico è reso possibile sia attraverso modelli basati su circuiti che basati su misurazioni. Sebbene entrambi siano simili in termini di scalabilità delle risorse, c’è una differenza. Le capacità del modello basato su circuiti sono limitate dal numero di qubit e porte disponibili che possono essere eseguiti. In confronto, i tempi di coerenza e le soglie di errore necessari sono in qualche modo rilassati per MBQ. La nuova tecnica variazionale basata su MBQC è chiamata VQE basata sulla misurazione (MBVQE).

I nuovi protocolli dei ricercatori hanno determinato lo stato fondamentale di un hamiltoniano target, un compito prototipo per VQE con applicazioni ad ampio raggio. Il concetto fondamentale per questo era quello di impiegare uno stato entangled personalizzato, chiamato “stato personalizzato”. Ha consentito l’esplorazione di un particolare angolo dello spazio di Hilbert del sistema . Questo stato personalizzato contiene qubit ausiliari che, quando misurati, modificano gli stati dei qubit di output. Un approccio di ottimizzazione tradizionale viene utilizzato per controllare le basi di misurazione e le conseguenti variazioni variazionali nello stato. Questo approccio è concettualmente e praticamente distinto dai normali schemi VQE.

Dopo aver introdotto il framework MB-VQE, i ricercatori hanno progettato due tecniche VQE basate sulla misurazione. In primo luogo, dimostrano un metodo per costruire famiglie di stati variazionali utilizzando il modello del codice torico con perturbazioni locali. In secondo luogo, hanno dimostrato una conversione diretta dei circuiti VQE in MB-VQE. 

La famiglia degli stati variazionali è la stessa per il circuito e le tecniche basate sulla misurazione, ma le implementazioni sono distinte perché MBVQE richiede più risorse e viene modificato solo tramite misurazioni a qubit singolo. Sebbene MB-VQE sia indipendente dalla piattaforma, consente complicati calcoli quantistici in sistemi con lunghe sequenze di porte, oppure la realizzazione di porte impigliate è difficile.

Questa ricerca teorica offre un nuovo modo di pensare gli algoritmi di ottimizzazione. MB-VQE, in particolare, espande il set di strumenti del calcolo variazionale fornendo percorsi aggiuntivi per esperimenti con sistemi quantistici fotonici. I ricercatori non devono più occuparsi di risorse pignoli e sensibili, consentendo loro di costruire circuiti di feedback specifici per i set di dati che i loro computer stanno ricercando.

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